宇宙航行教学设计

宇宙航行教学设计一、教学目标1.知识与技能目标了解人造卫星的有关知识，知道发射速度与环绕速度的区别。理解万有引力提供卫星圆周运动的向心力，会推导第一宇宙速度。掌握卫星运动的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。了解同步卫星的特点，能分析简单的卫星变轨问题。2.过程与方法目标通过对卫星运动规律的探究，培养学生运用万有引力定律和圆周运动知识分析问题、解决问题的能力。通过对第一宇宙速度的推导，让学生体会建立物理模型、运用数学工具解决物理问题的方法。3.情感态度与价值观目标通过介绍我国航天事业的发展成就，激发学生的民族自豪感和爱国热情，培养学生探索宇宙奥秘的兴趣。通过小组合作探究，培养学生的团队协作精神和创新意识。

二、教学重难点1.教学重点人造卫星的运行规律，万有引力提供向心力的应用。第一宇宙速度的推导。2.教学难点卫星运动的线速度、角速度、周期与轨道半径的关系。卫星变轨问题的分析。

三、教学方法讲授法、讨论法、探究法、多媒体辅助教学法

四、教学过程

（一）导入新课（5分钟）播放一段我国航天事业发展的视频，如神舟飞船发射、嫦娥探月等精彩瞬间，引发学生对宇宙航行的兴趣和思考。

提问：同学们，从刚才的视频中我们看到了人类在宇宙中的探索活动，那么人类是如何实现宇宙航行的呢？要把卫星送上天需要满足什么条件？卫星在太空中是怎样运行的？通过这些问题，引出本节课的主题--宇宙航行。

（二）新课教学1.宇宙航行的开创（5分钟）介绍牛顿提出的人造卫星设想：牛顿在思考万有引力定律时就曾设想过，从高山上用不同的水平速度抛出物体，速度一次比一次大，落地点也就一次比一次离山脚远。如果没有空气阻力，当速度足够大时，物体就永远不会落到地面上来，它将围绕地球旋转，成为一颗绕地球运动的人造地球卫星。讲解：牛顿的这一设想为人类实现宇宙航行奠定了理论基础。虽然当时的技术条件无法实现，但随着科技的不断发展，人类最终实现了这个伟大的梦想。2.人造卫星的发射原理（10分钟）展示人造卫星发射的动画过程，讲解人造卫星的发射原理：人造卫星是利用火箭把它送入预定的轨道。当火箭携带卫星加速上升时，卫星的速度不断增大，高度也不断升高。火箭燃料燃烧产生的推力克服地球引力做功，使卫星获得足够的动能和势能，从而能够进入预定轨道绕地球运行。提问：卫星要成功发射并进入预定轨道，对发射速度有什么要求呢？引导学生思考发射速度与卫星能否绕地球运行的关系。3.第一宇宙速度（15分钟）（1）推导第一宇宙速度设地球质量为M，半径为R，卫星质量为m，卫星在地球表面附近做匀速圆周运动，万有引力提供向心力，即\(G\frac{Mm}{R^{2}}=m\frac{v^{2}}{R}\)，解得\(v=\sqrt{\frac{GM}{R}}\)。代入数据\(G=6.67×10^{11}N·m^{2}/kg^{2}\)，\(M=5.98×10^{24}kg\)，\(R=6400km=6.4×10^{6}m\)，可得\(v=7.9km/s\)。讲解：这个速度就是第一宇宙速度，它是人造卫星在地面附近绕地球做匀速圆周运动所必须具有的速度，也叫环绕速度。（2）第一宇宙速度的意义强调第一宇宙速度是发射卫星的最小速度，也是卫星绕地球做圆周运动的最大速度。当卫星的发射速度等于第一宇宙速度时，卫星刚好能在地球表面附近做匀速圆周运动；如果发射速度小于第一宇宙速度，卫星将落回地面；当发射速度大于第一宇宙速度时，卫星将绕地球做椭圆轨道运动或在更高的轨道上做圆周运动。4.卫星的运行规律（20分钟）（1）线速度、角速度、周期与轨道半径的关系设卫星质量为m，轨道半径为r，地球质量为M，根据万有引力提供向心力\(G\frac{Mm}{r^{2}}=m\frac{v^{2}}{r}=m\omega^{2}r=m\frac{4\pi^{2}}{T^{2}}r\)。分别推导出线速度\(v=\sqrt{\frac{GM}{r}}\)，角速度\(\omega=\sqrt{\frac{GM}{r^{3}}}\)，周期\(T=2\pi\sqrt{\frac{r^{3}}{GM}}\)。分析：从推导结果可以看出，卫星的线速度、角速度、周期都与轨道半径有关。轨道半径越大，线速度越小，角速度越小，周期越大。（2）小组讨论组织学生分组讨论：不同轨道上的卫星，它们的线速度、角速度、周期大小关系是怎样的？如何根据这些关系来比较不同卫星的运动情况？每个小组派代表发言，分享讨论结果。教师进行总结和点评，强化学生对卫星运行规律的理解。5.同步卫星（10分钟）（1）同步卫星的特点讲解同步卫星是指相对于地面静止的卫星，它运行的周期与地球自转周期相同，即\(T=24h\)。同步卫星位于赤道上空一定高度处，其轨道平面与赤道平面重合。（2）同步卫星的高度计算根据\(T=2\pi\sqrt{\frac{r^{3}}{GM}}\)，已知\(T=24h=24×3600s\)，\(G=6.67×10^{11}N·m^{2}/kg^{2}\)，\(M=5.98×10^{24}kg\)，可计算出同步卫星的轨道半径\(r\approx4.23×10^{7}m\)，则同步卫星距离地面的高度\(h=rR\approx3.6×10^{7}m\)。（3）同步卫星的应用介绍同步卫星在通信、气象、广播电视等领域的重要应用，让学生了解同步卫星对人类社会发展的重要作用。6.卫星变轨问题（10分钟）（1）展示卫星变轨的动画通过动画展示卫星从低轨道向高轨道变轨以及从高轨道向低轨道变轨的过程，引导学生观察卫星在变轨过程中速度、加速度、轨道半径等物理量的变化情况。（2）分析变轨原理讲解卫星变轨的原理：当卫星需要从低轨道进入高轨道时，卫星发动机点火加速，使卫星的速度增大，所需向心力增大，而此时万有引力小于所需向心力，卫星将做离心运动，轨道半径增大，从而进入高轨道；反之，当卫星从高轨道进入低轨道时，卫星发动机点火减速，速度减小，所需向心力减小，万有引力大于所需向心力，卫星将做向心运动，轨道半径减小。（3）变轨问题的讨论提问：卫星在变轨过程中，机械能如何变化？让学生思考并回答，然后教师进行总结：卫星从低轨道进入高轨道，发动机点火做功，机械能增加；卫星从高轨道进入低轨道，机械能减小。

（三）课堂小结（5分钟）引导学生回顾本节课所学内容，包括人造卫星的发射原理、第一宇宙速度、卫星的运行规律、同步卫星以及卫星变轨问题等。请学生用自己的语言总结本节课的重点知识和收获，教师进行补充和完善，强化学生对知识点的理解和记忆。

（四）课堂练习（10分钟）布置几道与本节课内容相关的练习题，如计算卫星的线速度、角速度、周期，分析卫星变轨问题等，让学生在课堂上进行练习。教师巡视指导，及时发现学生存在的问题并进行解答，通过课堂练习巩固所学知识，提高学生运用知识解决问题的能力。

（五）课后作业1.书面作业布置一些书面作业，如教材课后习题中的相关题目，让学生进一步巩固课堂所学知识，加深对宇宙航行相关概念和规律的理解。2.拓展作业让学生查阅资料，了解我国近年来航天事业取得的新成就，并写一篇短文介绍我国航天技术的发展及其对人类社会的贡献，培养学生的自主学习能力和信息收集整理能力，激发学生的爱国热情。

五、教学反思通过本节课的教学，学生对宇宙航行的相关知识有了较为系统的了解，掌握了人造卫星的运行规律、第一宇宙速度的推导以及卫星变轨问题的分析方法等。在教学过程中，通过播放视频、动画演示、小组讨论等多种教学方法，激发了学生的学习兴趣，培